《CR-V vs RAV4 油電爭霸戰》(二)縱橫20年的《Toyota Hybrid黑科技》

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《CR-V vs RAV4 油電爭霸戰》(二)縱橫20年的《Toyota Hybrid黑科技》

▲RAV4 Hybrid朝向「節能+性能」外部插電PHEV發展,未來十年將會是Hybrid的主場,直到純電動車普及為止。

上回提到Honda CR-V「e:HEV」獨特的油電複合動力系統,80km/h以下為串聯式Hybrid,80km/h以上則是與Toyota油電科技一致的混聯式Hybrid,具備引擎出力、馬達出力、引擎+馬達同時出力等三種模式,並且可以隨時調配與切換,聽起來好神,但是結構其實比Toyota Hybrid系統更簡單!

那Toyota Hybrid系統強在哪裡?答案就是不受行車速度與引擎轉速限制,隨時都能展現出「引擎出力、馬達出力、引擎+馬達同時出力」等三種模式!但上一回報導提到一個非常重要的觀念,那就是Honda e:HEV、Toyota e-CVT、Nissan e-Power等Hybrid科技,關鍵性節能設計在於「拋棄傳統變速箱設計」,既然Toyota e-CVT沒有傳統變速箱,如何達成三種模式隨時待命的複雜混聯式Hybrid系統?關鍵就在於e-CVT的「行星齒輪組」架構。

就結構來看,如果看得懂,就知道結構複雜度其實沒有高於8AT、10AT或DCT變速箱,那麼這麼棒、卻又不是那麼複雜的系統,其它車廠為何不跟進?答案就是受到專利保護。然而日本發明專利期限20年、新型專利期限10年、新式樣專利期限15年,其它國家大致如此,期間如欲分一杯羹,花錢向Toyota買專利便是,Ford就是其中一例,BMW則是來個技術交流、各取所需。然而Toyota Hybrid縱橫全球市場已超過20冬,漸漸失去專利保護傘,加上英國等地2030年禁燃油動力、Volvo舉手表示同意,因此未來十年為Hybrid大戰最火熱的時刻!相信Hybrid與電動車款會如雨後春筍…或是猛虎出閘一般衝向市場,此時來瞭解一下這「20年前的設計」為時不晚!

《CR-V Hybrid》油耗不輸《RAV4油電》(一)您所不知的《Honda黑科技》

《CR-V vs RAV4 油電爭霸戰》(二)縱橫20年的《Toyota Hybrid黑科技》

▲早期的Toyota e-CVT採用鍊帶做扭力傳輸,之後已被齒輪組取代,但此結構與無段變速沒有任何關係。

《CR-V vs RAV4 油電爭霸戰》(二)縱橫20年的《Toyota Hybrid黑科技》

▲因為傳統CVT變速箱與e-CVT仍有某種相似性,所以許多人誤以為Toyota e-CVT乃是傳統CVT+馬達,其實二者間沒有瓜葛。

節能引擎 恆定轉速與功率 關鍵報告

相信多數人探討Hybrid動力時,都會將焦點放在引擎設計這一環,如Toyota使用了Atkinson循環、Nissan採用米勒循環,搭配多點+直噴雙供油系統,Toyota更藉由特殊的燃燒室噴射滾流,將壓縮比提升到14:1的境界,沒錯,就是諸如此類的東西。其實引擎省不省油,關鍵不一定是在硬體設計,「運作環境」其實非常重要!如果能在固定負荷、固定轉速、適當溫度下,恆定輸出固定功率,將「變化」降至最低,如此一來引擎節能設計將會變得簡單又有效率。

此點在Nissan e-Power串聯式Hybrid科技報導第一篇已有詳細說明,這一系列報導其實有關連性,戲法人人化變、巧妙沒有太多的不同,科技沒有想像中複雜,畢竟已是20年前的設計,與今日的10AT變速箱比較其實不算太複雜。

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因此Toyota e-CVT的研發宗旨,除了調配引擎、馬達轉速和扭力輸出之外,另一個重要目標就是儘量讓引擎維持恆定轉速運行,藉由e-CVT的馬達轉速調配,達成行車速度的提升。如果是一般的燃油引擎+8AT變速箱,如Focus或Kuga,車速提升都是靠引擎轉速拉上去,但e-CVT並不想這樣做,因為在提升引擎轉速的同時,必須對抗更多的慣性與摩擦阻力,這都是無謂的燃油浪費。

在此先打個岔,說個實戰狀況,基於上述理念,如果有人無聊到「想要讓一輛Toyota Hybrid車款很耗油」!最簡單的方法就是在加速過程中,油門不停地改變踩踏深淺,也就是踩、放、踩、放、踩、放…這樣控制,保證耗油!

原因很簡單,不恆定的油門深度,造成引擎轉速不停地上下變化,動力工程師的節能策略失效,燃燒效率當然會下降,而且在此狀態電能的輔助效益嚴重下滑,結果當然耗油。但讀者不要笑,編輯真的看過計程車司機這樣開車!而且不只一位,此外也看過很多老一輩的騎士這樣騎摩托車,這種駕馭方式不只耗油,而且反覆的前後頓挫,令人覺得又吵、又煩、又想吐!

反過來說,如欲達到最佳節能狀態,並非一味輕油門就搞定,如果是輕油門踩、放、踩、放…結果如上就不用再贅述!最好的駕馭習慣就是精確評估路況,踩至所需的油門深度,然後就「定」在那,儘量不要經常性改變油門深淺,也儘量避免踩煞車減速,或是車速忽快忽慢,至於重踩油門與急煞車就不需要解釋。總之,跟車不要「逼太緊」,維持車速恆定,更容易達到省油目的。

《CR-V vs RAV4 油電爭霸戰》(二)縱橫20年的《Toyota Hybrid黑科技》

▲此為「行星齒輪組」結構圖,可明顯看出內、中、外三大部分,e-CVT的一號馬達、引擎、二號馬達分別與這三部分恆常連結不分離。

《CR-V vs RAV4 油電爭霸戰》(二)縱橫20年的《Toyota Hybrid黑科技》

▲行星齒輪有又人稱為「衛星齒輪」;內齒輪因鋸齒朝內而得名,因為設計在最外側,有些人稱之為「外齒輪」,英文翻譯名稱則是「環齒輪」,其實都是指相同的結構。圖片來源為MOTOR小幫手。

《CR-V vs RAV4 油電爭霸戰》(二)縱橫20年的《Toyota Hybrid黑科技》

▲應用「行星齒輪組」最徹底的結構,就是多檔位自排變速箱,結構比e-CVT複雜許多更難被理解,尤其是發展到極致的10AT。

沒有鋼帶或鍊帶的Toyota e-CVT

首先e-CVT非傳統CVT,e-CVT沒有一般無段變速系統的主錐輪、從動錐輪、鋼帶、鍊帶這些結構,早期的e-CVT還會看到鍊帶設計,但功用乃是扭力傳遞,並沒有無段變速功能。此外,Toyota e-CVT也不是像Subaru e-Boxer一樣,在傳統CVT變速箱當中置入馬達幫助動力輸出,基本上e-CVT已經完全拋開傳統引擎飛輪、液壓扭力轉換器、多檔位變速箱等包袱,e-CVT的「變速」功能,其實是取決於馬達的匹配。

基本上Toyota e-CVT比Honda e:HEV、Nissan e-Power複雜與難以理解,因為必須搞懂「行星齒輪組、引擎、雙馬達」之間的愛恨情仇三角關係!首先e-CVT的引擎與傳動軸乃是處於恆常連結狀態,二者無法完全斷開,但是中間有一個關鍵性的調節設計,那就是「行星齒輪組」,然而行星齒輪組從內到外又分為「太陽齒輪、行星齒輪、環齒輪」三大部分,三者間無法分離或脫節,處於完全連動狀態,精確的連結設計如下:

◎ 引擎與行星齒輪處於恆常連結狀態

◎「MG1」一號馬達與太陽齒輪處於恆常連結狀態

◎「MG2」二號碼達與環齒輪處於恆常連結狀態

說明至此,Toyota e-CVT結構大致說明完畢,「三國鼎力」態勢非常明確,各擁山頭但相互合作,相信多數人依然是一頭霧水!畢竟非機械本科或圖像理解能力夠強的讀者,並不容易理解行星齒輪的運作。沒關係,之後將化繁為簡,用簡單敘述與圖片讓讀者瞭解e-CVT的工作原理,當然還有優缺點分析,此外還會加入Honda e:HEV、Nissan e-Power等Hybrid系統進行優劣通盤整體。

但最後要補充說明一點,e-CVT的引擎與行星齒輪組之間,必須要有一組「單向離合器」,意思就是只能正轉不能逆轉。為何要此設計?之前提到e-CVT的引擎與傳動軸處於恆常連結狀態,但是在純電模式下引擎熄火不做工,如果還要馬達「拖著引擎運轉」無疑會消耗不必要的電能。此外,當引擎從熄火狀態突然啟動幫助加速或發電時,有了單向離合器,接合會更順暢。還有,單向離合器結構簡單,體積、重量、阻力都比一般離合器更小,耐用度良好,不會對油耗構成太大影響。

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